산업혁명 이후 과도한 탄소 사용으로 인해 지구 온난화로 폭염, 폭설, 태풍, 산불 등 이상기후 현상이 세계 곳곳에서 나타나고 있다. 지구 평균 온도가 산업화 이전보다 1.5 ℃를 초과하면, 인간을 비롯한 생태계가 생존하기 힘들기 때문에 지구 온도 상승을 1.5 ℃ 이내로 억제해야 한다는 게 전문가들의 주장이다. 이런 가운데 화석연료를 대체할 수 있는 미래 친환경에너지로 수소에너지가 주목받고 있다. 최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀에서 수소에너지를 경제적이면서 안정적으로 만들 수 있는 금속 나노촉매를 개발했다.

POSTECH 화학공학과 한정우 교수, 박사과정 황루이씨, 박사과정 임채성씨 연구팀이 페로브스카이트 산화물의 용출(溶出)1) 특성을 이용해 안정성을 오래 유지할 수 있는 금속 나노입자 촉매를 개발했다. 또한, 용출된 니켈 나노입자가 갖는 높은 촉매활성을 밝히기 위해 이론적인(DFT 계산) 메커니즘을 제시하고 이를 실험적으로 증명했다. 이 연구결과는 촉매 분야 세계적 권위지인 ’저널 오브 커탤러시스(Journal of Catalysis)에 최근 게재됐다.

2016년 발효된 파리협정 이후 121개 국가가 '2050 탄소중립 목표 기후동맹'에 가입하는 등 전 세계의 화두가 됐다. 우리 정부 역시 작년 12월 7일 '2050 탄소중립 추진전략'을 발표하면서 '탄소중립(Carbon Zero)'을 선언했다. 탄소중립 추진전략의 핵심은 에너지 주공급원을 화석연료에서 신·재생에너지로 전환하는 것인데, 그중 수소는 장기간, 대용량으로 에너지 저장과 이동이 가능하며 연소 후 물이 생성되는 친환경에너지 자원으로 각광받고 있다.

수소생산 산업 중 수성가스 전환반응은 앞선 반응에서 만들어진 오염물질인 일산화탄소(CO)를 제거하고 추가적인 수소를 생산하는 핵심 반응 단계이다. 하지만, 지금까지 수소 생산 산업에서 사용하고 있는 수성가스 전환반응 상용 촉매는 응집 현상으로 인한 낮은 안정성으로 반응 중간에 쉽게 촉매활성을 잃게 된다는 한계가 있다.

이런 한계를 극복하기 위해서 연구팀은 페로브스카이트 산화물의 용출 특성을 이용해 안정성을 오래 유지할 수 있는 금속 나노입자에 주목했다. 연구팀은 수성가스 전환반응을 촉진하기 위해 니켈 나노입자가 용출된 페로브스카이트 촉매를 개발했다. 이렇게 개발된 촉매는 니켈 금속이, 지지체인 페로브스카이트 산화물 표면에 고정되어 있어 반응 중 고온과 같은 극한 환경에서도 잘 버티며 응집 현상이 억제돼 오랫동안 높은 촉매활성을 유지하는 것을 확인했다.

연구를 주도한 한정우 교수는 “금속 입자가 용출된 페로브스카이트 산화물에서는 처음으로 일산화탄소에서 수소를 생산하는 고온 수성가스 전환반응 촉매로써 새로운 응용에 성공했다”며 “이번 연구 결과가 수소경제 활성화를 위한 대규모 수소 생산 산업에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이 연구는 한국연구재단의 초저에너지 자동차 초저배출 사업단, 중견연구자지원사업, 유용물질 생산을 위한 ‘Carbon to X 기술개발사업’의 지원으로 수행됐다.

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